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Java 线程池与 ExecutorService 详解

Java 线程池与 ExecutorService 详解

在多线程编程中，线程池是一种非常重要的技术，它可以有效地管理线程的生命周期，减少线程创建和销毁的开销，并提高程序的性能。Java 提供了 ExecutorService 接口和 Executors 工具类来简化线程池的使用。本文将详细介绍线程池的概念、使用方法以及注意事项。

1. 什么是线程池？

线程池是一种线程管理机制，它维护一组线程，这些线程可以重复使用来执行多个任务。相比于为每个任务创建一个新线程，线程池的优势在于：

降低资源消耗：线程的创建和销毁会消耗系统资源，线程池通过复用线程减少了这种开销。
提高响应速度：任务到达时可以直接使用线程池中的空闲线程，无需等待线程创建。
提高线程的可管理性：线程池可以统一管理线程的数量、状态和任务队列。

2. ExecutorService 简介

ExecutorService 是 Java 提供的一个接口，用于管理线程池。它扩展了 Executor 接口，提供了更丰富的功能，例如：

提交任务（submit 方法）。
关闭线程池（shutdown 和 shutdownNow 方法）。
检查线程池状态（isShutdown 和 isTerminated 方法）。

2.1 创建线程池

Java 提供了 Executors 工具类来创建不同类型的线程池。常用的方法包括：

固定大小线程池：
```
ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(int nThreads);
```
创建一个固定大小的线程池，线程数量由 nThreads 指定。
单线程池：
```
ExecutorService executorService = Executors.newSingleThreadExecutor();
```
创建一个只有一个线程的线程池，适合需要顺序执行任务的场景。
缓存线程池：
```
ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
```
创建一个可缓存的线程池，线程数量根据任务数量动态调整。

定时任务线程池：

ScheduledExecutorService scheduledExecutorService = Executors.newScheduledThreadPool(int corePoolSize);

创建一个支持定时任务和周期性任务的线程池。

3. 使用线程池的示例

以下是一个使用固定大小线程池的完整示例：

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class ThreadPoolExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个固定大小为 5 的线程池
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(5);

        // 提交 10 个任务
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            int taskId = i;
            executorService.submit(() -> {
                System.out.println("任务 " + taskId + " 正在执行，线程: " + Thread.currentThread().getName());
                try {
                    Thread.sleep(1000); // 模拟任务执行时间
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("任务 " + taskId + " 执行完成");
            });
        }

        // 关闭线程池
        executorService.shutdown();
    }
}

代码解析：

创建线程池：
- 使用 Executors.newFixedThreadPool(5) 创建一个固定大小为 5 的线程池。
提交任务：
- 使用 executorService.submit() 提交 10 个任务，每个任务会打印当前线程名称并模拟执行 1 秒。
关闭线程池：
- 使用 executorService.shutdown() 关闭线程池，等待所有任务执行完成。

4. 线程池的核心参数

在实际开发中，我们可能需要更灵活地配置线程池。Java 提供了 ThreadPoolExecutor 类，可以通过构造函数直接创建线程池。其核心参数包括：

corePoolSize：核心线程数，线程池中始终保持的线程数量。
maximumPoolSize：最大线程数，线程池中允许的最大线程数量。
keepAliveTime：空闲线程的存活时间。
workQueue：任务队列，用于存放等待执行的任务。
threadFactory：线程工厂，用于创建线程。
rejectedExecutionHandler：拒绝策略，当任务无法被处理时的处理方式。

示例：

import java.util.concurrent.*;

public class CustomThreadPoolExample {
    public static void main(String[] args) {
        ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(
                2, // 核心线程数
                4, // 最大线程数
                60, // 空闲线程存活时间
                TimeUnit.SECONDS, // 时间单位
                new LinkedBlockingQueue<>(10), // 任务队列
                Executors.defaultThreadFactory(), // 线程工厂
                new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy() // 拒绝策略
        );

        // 提交任务
        for (int i = 0; i < 15; i++) {
            int taskId = i;
            executor.submit(() -> {
                System.out.println("任务 " + taskId + " 正在执行，线程: " + Thread.currentThread().getName());
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            });
        }

        // 关闭线程池
        executor.shutdown();
    }
}

5. 线程池的关闭

使用完线程池后，需要正确关闭它，否则可能会导致资源泄漏。常用的关闭方法包括：

shutdown()：
- 平缓关闭线程池，等待所有任务执行完成。
shutdownNow()：
- 立即关闭线程池，尝试中断所有正在执行的任务。
awaitTermination(long timeout, TimeUnit unit)：
- 等待线程池关闭，最多等待指定的时间。

6. 注意事项

合理设置线程池大小：
- 线程池的大小应根据任务类型和系统资源进行设置。CPU 密集型任务可以设置较小的线程池，而 I/O 密集型任务可以设置较大的线程池。
避免任务队列过大：
- 如果任务队列无界，可能会导致内存耗尽。可以使用有界队列并设置合适的拒绝策略。
处理未捕获异常：
- 线程池中的任务如果抛出未捕获异常，线程会终止。可以通过实现 ThreadFactory 或使用 Future 捕获异常。